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Nature Catalysis: 乙炔高效半加氫

作者信息

第一作者：Jordi Ballesteros-Soberanas

通訊作者：Donatella Armentano, Emilio Pardo, Antonio Leyva-Pérez

通訊單位：瓦倫西亞大學、加的斯大學等

成果速覽

本研究展示了一種定義明確的Pd1-Au1二聚體，錨定在金屬-有機框架（MOF）的壁上，能夠在模擬工業前端反應條件下，選擇性地將乙炔半加氫為乙烯，轉化率≥99.99%（乙炔≤1 ppm）且選擇性>90%。

反應在35°C甚至更低的溫度下進行，操作窗口>100°C，重量小時空間速度（WHSV）為66,000 ml g^-1 cat h^-1，符合工業規格。

實驗和計算機制研究顯示，兩個原子之間的協同作用以及與支撐材料的相互作用，實現了乙炔的無障礙半加氫。

圖文導讀

圖1：展示了Pd1-Au1二聚體在MOF中形成的過程，以及通過X射線晶體結構測定得到的Pd1Au1@1的結構細節。

圖2：展示了使用Pd1Au1@1作為催化劑進行乙炔半加氫反應的催化實驗結果。

圖3：提供了Pd1Au1@1和Pd1@1的實驗機理證據。

圖4：理論計算提供了乙炔加氫反應的最可能的中間體和提出的機制。

亮點介紹

1. Pd1-Au1二聚體催化劑在極低的活化能（約1 kcal/mol）下實現了乙炔的高效半加氫，轉化率超過99.99%，且乙烯選擇性高于90%。

2. 催化劑在35°C至150°C的溫度范圍內均表現出優異的催化活性，且在工業相關操作條件下具有較長的穩定性。

3. 通過結合實驗和計算研究，揭示了Pd1-Au1二聚體與MOF之間協同作用的機制，為工業反應提供了新的催化策略。

4. 該研究提供了一種新型的高分散、高金屬負載的催化劑設計方法，有助于推動石化工業中關鍵反應的能效提升。

計算模擬

在本論文中，作者進行了詳細的計算化學研究，以支持和解釋實驗觀察到的催化行為。

通過使用密度泛函理論（DFT）計算，研究人員對Pd1-Au1二聚體在MOF中的催化活性位點進行了優化，并探究了其電子結構。這些計算幫助確定了最穩定的Pd1-Au1二聚體結構，并預測了其與MOF中硫醚基團的相互作用。

文獻信息

標題：A MOF-supported Pd1–Au1 dimer catalyses the semihydrogenation reaction of acetylene in ethylene with a nearly barrierless activation energy

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01130-7

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